СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ С АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК H02J3/12 G05F1/30 H02M5/45 

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано в системах энергоснабжения для стабилизации напряжения на высокой стороне трансформаторных подстанций.

Известна система автоматической компенсации отклонений напряжения трансформаторной подстанции (Патент 2117981, РФ, БИ 23, 1998), которая взята за прототип. Она содержит главный и вольтодобавочный трансформаторы, датчик отклонения напряжения нагрузки и тиристорный преобразователь, в состав которого входят трехфазный реверсивный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и два трехфазных инвертора напряжения с общей для них системой управления, вход которой подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а первый и второй выходы соответственно подключены к первому и второму трехфазным инверторам напряжения, обеспечивая регулирование фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора напряжения на угол α, а второго на угол π-α при изменении α внутри полупериода сетевого напряжения, причем первичные обмотки главного и вольтодобавочного трансформаторов соединены пофазно последовательно и подключены к сети, вторичная обмотка главного трансформатора подключена к нагрузке и к входу трехфазного реверсивного выпрямителя, вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора пофазно включена между выходами первого и второго трехфазных инверторов напряжения, а выход трехфазного реверсивного выпрямителя через индуктивно-емкостный фильтр подключен к объединенным входам трехфазных инверторов напряжения.

В известной системе предусмотрены плавное широтно-импульсное регулирование напряжения вольтодобавки в функции отклонения напряжения нагрузки и возможность задания выпрямленного напряжения на любом фиксированном уровне.

Однако при питании трехфазных инверторов напряжения максимально возможным выпрямленным напряжением возникает большой процент высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения, а при установке трехфазным реверсивным выпрямителем пониженного уровня выпрямленного напряжения уменьшается диапазон стабилизации и ухудшается использование вольтодобавочного трансформатора. Следует отметить также, что в прототипе снижение качества напряжения особенно сильно проявляется на начальном и конечном интервалах изменения угла управления α внутри полупериода сетевого напряжения и зависит от схемы соединения обмоток главного и вольтодобавочного трансформаторов. Так, при последовательном включении первичных обмоток этих трансформаторов и включении одной из них, например главного трансформатора, в звезду с нулевым проводом производится двухзонное регулирование добавочного напряжения с максимальной глубиной модуляции и, следовательно, с максимальным процентом высших гармоник, а при соединении вторичной обмотки главного трансформатора в звезду без нулевого провода и амплитудной или фазовой асимметрии нагрузки нарушается симметрия выходного напряжения, что также указывает на низкое качество напряжения в прототипе.

Задачей изобретения является повышение качества выходного напряжения при сохранении диапазона его стабилизации.

Для решения поставленной задачи применен комплекс мероприятий, связанных с совершенствованием управления и изменением связей между элементами. Технический результат, достигнутый в результате этих мероприятий, заключается в улучшении гармонического состава выходного напряжения примерно в 4 раза.

Требуемый технический результат достигнут тем, что первичная обмотка главного или вольтодобавочного трансформатора соединена в звезду с изолированной нейтралью, а вторичная обмотка главного трансформатора соединена в звезду с нулевым проводом и заземленной нейтралью, система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением пределов изменения угла α от π/12 до 11π/12 рад, а система управления трехфазным реверсивным выпрямителем выполнена с ограничением нижнего уровня выпрямленного напряжения, и ее вход через переключатель подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки или к выходу датчика отклонения напряжения сети.

Дальнейшее совершенствование устройства с целью улучшения среднестатистического гармонического состава в кривой выходного напряжения без снижения быстродействия состоит в повышении степени опережающего амплитудного регулирования в области наибольших искажений, создаваемых импульсным регулированием.

Это дополнительное улучшение качества выходного напряжения достигается (см. п.2 формулы) тем, что между переключателем и входом системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем включен регулируемый блок нелинейности, который имеет передаточную характеристику W₁, подобную средней линии петли гистерезиса и пересекающую биссектрису в первом и третьем квадрантах в точках, соответствующих 0 и π рад угла управления трехфазным реверсивным выпрямителем, или (см. п.3 формулы) тем, что между выходом датчика отклонения напряжения нагрузки и входом системы управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения включен регулируемый блок нелинейности, который имеет передаточную характеристику W₂, являющуюся зеркальным отображением передаточной характеристики W₁ , относительно биссектрисы первого и третьего квадрантов и пересекает эту биссектрису в точках, соответствующих 0, π/2 и π угла управления трехфазными инверторами напряжения.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прелагаемыми чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства, которую целесообразно применять при реконструкции существующих трансформаторных подстанций, а на фиг.2 - ее модификация, которая может быть использована в новых проектах комплектных трансформаторных подстанций с установкой силовой части тиристорного преобразователя, главного и вольтодобавочного трансформаторов в одном масленом баке. На фиг.3 показано включение регулируемого блока нелинейности в цепь управления трехфазным реверсивным выпрямителем, а на фиг.4 - в цепь управления трехфазными инверторами напряжения.

Система автоматической компенсации отклонений напряжения трансформаторной подстанции (фиг.1, 2) включена между сетью 1 и нагрузкой 2. Она содержит главный трансформатор 3 с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, вольтодобавочный трансформатор 6 с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, тиристорный преобразователь 9 со звеном постоянного напряжения, в состав которого входят два трехфазных инвертора напряжения 10 и 11 с общей для них системой управления 12, трехфазный реверсивный выпрямитель 13 с системой управления 14, индуктивно-емкостный фильтр 15, а также датчик 16 отклонения напряжения нагрузки, датчик 17 отклонения напряжения сети и переключатель 18. Варианты устройства, представленные на фиг.3 и фиг.4, дополнены регулируемым блоком нелинейности 19.

Элементы устройства (фиг.1 и 2) соединены следующим образом.

Первичные обмотки 4 и 7 соответственно главного 3 и вольтодобавочного 6 трансформаторов соединены последовательно, подключены к сети 1 и одна из них 4 (фиг.1) или 7 (фиг.2) соединена в звезду с изолированной нейтралью. Вторичная обмотка 5 главного трансформатора 3 соединена в звезду с нулевым заземленным проводом и подключена к нагрузке 2 и к входу трехфазного реверсивного выпрямителя 13, вторичная обмотка 8 вольтодобавочного трансформатора 6 пофазно включена между выходами первого 10 и второго 11 трехфазных инверторов напряжения, а выход трехфазного реверсивного выпрямителя 13 через индуктивно-емкостный фильтр 15 подключен к объединенным входам трехфазных инверторов напряжения 10 и 11. Система управления 12 первым и вторым своими выходами подключена соответственно к первому и второму трехфазным инверторам напряжения, а ее вход подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 16. Система управления 14 выходом подключена к трехфазному реверсивному выпрямителю 13, а управляющим входом через переключатель 18 к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 16 или к выходу датчика отклонения напряжения сети 17. На фиг.3 устройства между переключателем 18 и управляющим входом системы управления 14 трехфазным реверсивным выпрямителем 13 включен регулированный блок нелинейности 19, в качестве которого может быть использован, например, стандартный блок от аналогового персонального компьютера АВК-6 с перенастраиваемой передаточной характеристикой [3]. На фиг.4 тот же регулируемый блок нелинейности 19, но настроенный на другую передаточную характеристику, включен между выходом датчика отклонения напряжения нагрузки 16 и входом системы управления 12 трехфазными инверторами напряжения.

Система автоматической компенсации отклонений напряжения трансформаторной подстанции (фиг.1, 2) работает следующим образом.

При возникновении отклонения напряжения в сети 1 и соответствующего отклонения напряжения на нагрузке 2 система при помощи тиристорного преобразователя 9 и вольтодобавочного трансформатора 6 автоматически создает добавочное напряжение, которое, компенсируя это отклонение на входе главного трансформатора 3, стабилизирует напряжение нагрузки 2.

Регулирование действующего значения добавочного напряжения производится импульсным способом в шести поддиапазонах [4] в функции отклонения напряжения на нагрузке 2 при помощи двух трехфазных инверторов напряжения 10 и 11 с общей для них системой управления 12 и амплитудным способом в функции отклонения напряжения на нагрузке 2 или в сети 1 при помощи трехфазного реверсивного выпрямителя 13 с системой управления 14.

Подключение входа системы управления 14 трехфазным реверсивным выпрямителем 13 к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 16 или к выходу датчика отклонения напряжения сети 17 производится переключателем 18 в зависимости от условий эксплуатации трансформаторной подстанции. Например, в условиях электрических сетей с мягкой внешней характеристикой и резко переменном характере нагрузки 2 целесообразно первое подключение (к датчику отклонения напряжения нагрузки 16), а при работе от электрической сети 1 с жесткой внешней характеристикой, но с нестабильным напряжением - второе (к датчику отклонения напряжения сети 17).

Для улучшения качества выходного напряжения в предлагаемой системе заданы области рационального амплитудно-импульсного регулирования добавочного напряжения.

В области больших отклонений напряжения производится амплитудное регулирование, малых - импульсное, а при промежуточных как амплитудное, так и импульсное регулирование. Задание области амплитудного регулирования с улучшенной трехступенчатой формой добавочного напряжения (высотой ступеней 2U_d/3, U_d и 4U_d/3, где U_d - среднее значение выпрямленного напряжения) произведено ограничением интервала изменения углов управления α и π-α первым и вторым трехфазными инверторами напряжения 10 и 11 в пределах от π/12 до 11π/12 а задание области импульсного регулирования с улучшенной трехимпульсной формой добавочного напряжения (высота крайних импульсов U_d/3 и среднего - 2U_d/3) произведено ограничением нижнего предела регулирования выходною напряжения U_d трехфазного реверсивного выпрямителя 13.

Улучшенная трехступенчатая форма добавочного напряжения в области больших отклонений и улучшенная трехимпульсная форма в области малых отклонений сформированы не только применением специального управления, но и применением специальной схемы включения обмоток главного трансформатора 3, при которой кроме улучшения гармонического состава обеспечиваются симметрирующие свойства выходного напряжения трансформаторной подстанции, что также может быть отнесено к улучшению качества напряжения. Эти мероприятия, связанные с совершенствованием схемы устройства и ее управления, позволяют при ±20-процентном диапазоне стабилизации улучшить коэффициент гармоник, характеризующий несинусоидальность выходного напряжения, до 3,2% против 12% в прототипе, т.е. почти в 4 раза.

Дополнительное снижение коэффициента гармоник выходного напряжения в процессе его стабилизации достигнуто изменением соотношения между степенью амплитудного и степенью импульсного регулирования добавочного напряжения в функции сигнала обратной связи. Так, опережающее и отстающее амплитудное регулирование соответственно на начальном и конечном интервалах совместного амплитудно-импульсного регулирования достигается за счет включения регулируемого блока нелинейности 19 с передаточной характеристикой W₁ между входом системы управления 14 трехфазным реверсивным выпрямителем 13 и переключателем 18 (фиг.3), а отстающее и опережающее импульсное регулирование соответственно на тех же начальном и конечном интервалах совместного амплитудно-импульсного регулирования достигается за счет включения регулируемого блока нелинейности 19 с передаточной характеристикой W₂ между входом системы управления 12 трехфазными инверторами напряжения и выходом датчика 16 отклонения напряжения нагрузки (фиг.4).

Наиболее целесообразной областью применения системы автоматической компенсации отклонений напряжения являются трансформаторные подстанции мощностью до 10000 кВ•А с напряжением 6, 10 или 35 кВ на высокой стороне и 0,4 кВ на низкой стороне.

Источники информации
1. A.c. СССР 1636832, БИ 11, 1991 - аналог.

2. Патент РФ 2117981, БИ 23, 1998 - прототип.

3. Г. Н. Алексаков, В.В.Гаврилин, В.А.Федоров. Персональный аналоговый компьютер АВК-6, часть 2. - М.: Инженерный центр МИФИ, 1989. - 72 с.

4. Климаш B.C. Трансформаторно-тиристорные преобразователи напряжения с импульсным, амплитудным и фазовым регулированием: Учебное пособие. - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1998. - 62 с.

Использование: для быстродействующей стабилизации трехфазного синусоидального напряжения объектов промышленности, агропромышленного и оборонного комплексов. Технический результат заключается в обеспечении компенсации отклонений напряжения на низкой стороне трансформаторной подстанции за счет введения в ее высоковольтную цепь антиотклонений. Система содержит вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого через реверсивный выпрямитель, фильтр и двухмостовой инвертор напряжения подключена к нагрузке. Его первичная обмотка соединена последовательно с первичной обмоткой главного трансформатора подстанции. В автоматической системе применено смешанное регулирование добавочного высоковольтного напряжения - амплитудное и широтно-импульсное. Широтно-импульсное регулирование реализовано двухмостовым инвертором напряжения в функции отклонения напряжения на нагрузке, а амплитудное - реверсивным выпрямителем в функции отклонения напряжения сети или нагрузки. Предлагаемую систему отличает простота конструкции, улучшенное качество выходного напряжения и высокое быстродействие. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система автоматической компенсации отклонений напряжения трансформаторной подстанции с амплитудно-импульсным регулированием, содержащая главный и вольтодобавочный трансформаторы, датчик отклонения напряжения нагрузки и тиристорный преобразователь, в состав которого входит трехфазный реверсивный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и два трехфазных инвертора напряжения с общей для них системой управления, вход которой подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а первый и второй выходы соответственно подключены к первому и второму трехфазным инверторам напряжения, обеспечивая регулирование фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора напряжения на угол α, а второго - на угол π-α при изменении α внутри полупериода сетевого напряжения, причем первичные обмотки главного и вольтодобавочного трансформаторов соединены пофазно последовательно и подключены к сети, вторичная обмотка главного трансформатора подключена к нагрузке и к входу трехфазного реверсивного выпрямителя, вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора пофазно включена между выходами первого и второго трехфазных инверторов напряжения, а выход трехфазного реверсивного выпрямителя через индуктивно-емкостный фильтр подключен к объединенным входам трехфазных инверторов напряжения, отличающаяся тем, что первичная обмотка главного или вольтодобавочного трансформатора соединена в звезду с изолированной нейтралью, а вторичная обмотка главного трансформатора соединена в звезду с нулевым проводом и заземленной нейтралью, система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением пределов изменения угла α от π/12 до 11π/12 рад, а система управления трехфазным реверсивным выпрямителем выполнена с ограничением нижнего уровня выпрямленного напряжения и ее вход через переключатель подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки или к выходу датчика отклонения напряжения сети. 2. Система автоматической компенсации по п.1, отличающаяся тем, что между переключателем и входом системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем включен регулируемый блок нелинейности, который имеет передаточную характеристику W₁, подобную средней линии петли гистерезиса и пересекающую биссектрису в первом и третьем квадрантах, в точках, соответствующих 0 и π рад угла управления трехфазным реверсивным выпрямителем. 3. Система автоматической компенсации по п.1, отличающаяся тем, что между выходом датчика отклонения напряжения нагрузки и входом системы управления первым и вторым трехфазным инверторами напряжения включен регулируемый блок нелинейности, который имеет передаточную характеристику W₂, являющуюся зеркальным отображением передаточной характеристики W₁ относительно биссектрисы первого и третьего квадрантов и пересекающую эту биссектрису в точках, соответствующих 0, π/2 и π угла управления трехфазными инверторами напряжения.